KR20080100343A - 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이를 사용하여 샘플을 검출하는 방법 - Google Patents

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Abstract

LCM을 사용하여 광의 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 연속적으로 변조된 위상 지연을 갖는 광 빔을 제공하는 소스 유닛과, 광의 제1 부분을 수신하여 기준 신호를 제공하는 기준 유닛과, 광의 제2 부분을 수신하여 샘플과 관련된 SPR로 인한 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화를 유도하는 SPR 감지 유닛과, SPR 후에 광을 수신하여 프로브 신호를 제공하는 프로브 유닛과, 기준 유닛 및 프로브 유닛에 연결되어 기준 신호를 프로브 신호와 비교함으로써 샘플의 특성을 검출하는 검출 유닛을 포함하는 광학 감지 장치가 개시된다. 활성 위상 변조 기술 및 차동 위상 측정을 사용함으로써, 화학적 및 생물학적 검출을 수행하는 것이 가능하다.
SPR, s-편광, p-편광, 위상 지연, 기준 유닛, 프로브 유닛

Description

표면 플라즈몬 공명 센서 및 이를 사용하여 샘플을 검출하는 방법 {SURFACE PLASMON RESONANCE SENSORS AND METHODS FOR DETECTING SAMPLES USING THE SAME}
본 발명은 화학적 및 생물학적 검출용 광학 감지 장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 s-편광과 p-편광 사이의 위상 차를 연속적으로 변조(modulate)하기 위해 액정 변조기(LCM)의 복굴절을 사용함으로써 간단하고 정확한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 위상 측정을 제공하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서에 관한 것이다.
SPR 센서는 화학적, 생화학적, 생물학적, 생체의료 분석, 오염 모니터링 및 공정 제어와 같은 다양한 분야에 널리 사용되어 왔다.
SPR은 전도성 재료와 비전도성 재료 사이의 인터페이스를 따라 표면 플라즈몬 파(SPW)의 광학 여기(optical excitation)의 결과이다. 이들의 생성을 위한 공통 기술은 내부 전반사를 겪도록 임계각 이상의 입사각으로 유리 프리즘 내로 전자기 복사(electromagnetic radiation)의 빔을 유도하는 것이다. 내부 반사는 표면에 인접한 프리즘의 외측 영역에서 감쇠(evanescent) 전자기파를 생성시킨다. 금 또는 은과 같은 얇은 전도성 필름이 프리즘의 표면 상에 적층될 때, 표면 플라즈몬이 형성될 것이다.
SPR 측정에 따른 다양한 유형의 광학 센서가 보고되었다. 이들 감지 기술은 SPR 정보(센서즈 및 액추에이터즈 비(Sensors and Actuators B), 54, 3-15, 1999년)를 추출하도록 반사된 빔의 각도, 파장 또는 위상 특성을 분석하는 것과 주로 관련이 있다. 2가지의 가장 인기 있는 방식(scheme)이 있다. 하나는 단색광을 포함하고 소정 각도의 반사된 빔의 강도 변동을 측정하는 각도 조사 방식(angular interrogation scheme)이다. 다른 하나는 광대역 광 소스를 사용하고 고정된 조명 각도로 스펙트럼 강도 변동을 관측함으로써 SPR 정보를 얻는 파장 조사 방식이다.
사실상, SPR은 반사된 광 빔의 강도뿐만 아니라 동시에 그의 광학 위상에 영향을 미친다. 우리를 포함한 연구원들은 SPR 흡수 딥(dip) 근처에 가파른 경사를 갖는다(옵티컬 커뮤니케이션(Optical Communication), 150, 5-8, 1998년)는 것을 알았다. 이러한 특성에 기초하여, 위상 조사는 매우 높은 감지 정확도를 제공하도록 평가되었다.
제1 실제 SPR 위상 측정 시스템은 헤테로다인 간섭계(heterodyne interferometry)에 기초하였다(센서즈 및 액추에이터즈 비, 35-36, 187-191, 1996년). 140㎒에서의 높은 주파수로 신호를 변조하기 위해 음향 광 변조기(AOM)를 사용하였다. 위상 정보를 얻기 위해, 국부 발진기(local oscillator)는 위상계(phase meter)가 기준 신호와 프로브 신호 사이의 위상 차이를 측정하는데 사용될 수도 있도록 10㎑에서의 AOM 변조 주파수를 이동(shift)시키는데 사용되었다. SPR 위상 측정으로 인해 평가된 감도(sensitivity)가 종래의 방식에 비해 3배 개선되었다고 문서에 기재되어 있다. 이러한 감지 방식은 SPR 위상 정보를 반사된 빔으로부터 추출할 수 있더라도, 오히려 광학 및 전자 섹션 모두에서 설계가 복잡하 다. 광학 부품에서, 이는 2개의 광학 빔이 검출 가능한 간섭 무늬(interference fringe)의 형성을 보장하기 위해 다시 재결합될 때, 매우 정밀한 광학 정렬을 요구한다. 전자 공학에서, 또한 신호를 처리하기 위한 많은 높은 주파수 믹스(mix)가 있다. 더욱이, 음향 광변조기(AOM)의 필요성은 또한 비용뿐만 아니라 시스템 복잡성을 틀림없이 증가시킨다.
라터 구오(Later Guo) 등(어플라이드 옵틱스(Applied Optics), 37, 1747-1751, 1998년)은 주파수 안정화된 지만 레이저를 사용하는 매우 단순화된 헤테로다인 위상 감지 시스템을 설명하였다. 이들 시스템에서, 지만 효과로 인한 s-편광과 p-편광 사이의 자기 주파수 이동은 s-편광과 p-편광이 서로 간섭할 수도 있도록 ㅅ사용된다. 따라서, 포토디텍터(photodetector)에서 보이는 비트(beat) 신호는 SPR 효과와 관련된 위상 정도(phase quantity)를 제공한다. 비트 주파수 신호는 수십 킬로헤르츠(kilohertz) 내지 수 메가-헤르츠(mega-hertz) 사이의 범위에 있다. 이러한 고주파수는 너무 빨라서 고가의 고속 CCD 카메라를 사용하는 것을 제외하고 분석을 화상 형성할 수 없다. 따라서, 이러한 기술은 단일 센서 장치에서 적용물들을 단지 찾을 수도 있다.
가장 최근에는 정적 마하-젠더 간섭계(static Mach-Zehnder interferometer)가 2차원 SPR 위상 이미징을 수행하기 위해 니키틴(Nikitin) 등에 의해 사용되었다(센서즈 및 액추에이터즈 비, 85, 189-193, 2000년). 이 설계의 주 결점은 시스템이 광학 부품에서의 기계적 이동에 매우 민감하다는 것이다. 거울에서의 작은 기계적 진동, 또는 온도의 변동은 확실히 광학 빔을 이동시켜서, 위상 측정 오류를 가져올 것이다(리뷰 오브 사이언티픽 인스트루먼츠(Review of Scientific instruments), 73, 3534-3539, 2002년).
타원편광(ellipsometric) 측정이 또한 SPR 위상 정보를 제공할 수 있다는 것이 보고되었다(센서즈 및 액추에이터즈 비, 51, 331-339, 1998년). 그러나, 결점은 이러한 기술이 약간 귀찮은 공정을 포함한다는 것이다. 백색광 또는 레이저 빔을 사용하든지 사용하지 않든지 간에 타원편광 장비는, 편광 분석기, 파장 분광기(wavelength spectrometer) 및 고니오메터(goniometer)를 포함하는 여러 기계 부품들이 정보를 얻기 위해 기계적으로 위치를 변경하는데 요구되는 매우 느린 장비이다. 실시간 신호 보고를 통상 요구하는 SPR 적용물에 있어서, 상용 타원계(ellipsometer)로부터의 저속이 주 결점이다.
본 발명의 목적은 샘플의 생물학적, 생화학적, 화학적 특성을 분석하기 위해 2차원 레벨에 대한 정확한 SPR 위상 측정을 수행할 수 있는 단순한 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 차동 위상 측정 기술 및 액정 변조기(LCM)를 통한 활성 위상 변조를 사용하여, 화학적 및 생물학적 검출을 위한 방법 및 SPR 감지 장치를 개시하고 있다.
본 발명의 태양에 따르면, 광학 감지 장치는 p-편광 요소 및 s-편광 요소를 포함하는 광 빔을 방출하는 소스, 및 p-편광 요소와 s- 편광 요소 사이에 위상 지연을 변조하는 위상 변조기를 포함하는 소스 유닛과, 광의 제1 부분을 수신하고 검출하여 변조된 위상 지연을 나타내는 기준 신호를 제공하는 기준 유닛과, 광의 제2 부분을 수신하여 샘플과 관련된 SPR로 인한 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화를 유도하는 SPR 감지 유닛과, SPR 감지 유닛을 통과하는 광을 수신하여 SPR 감지 유닛에 의해 유도된 위상 지연 변화를 나타내는 프로브 신호를 제공하는 프로브 유닛과, 기준 유닛과 프로브 유닛 사이에 결합되어 기준 신호를 프로브 신호와 비교함으로써 샘플의 생물학적, 생화학적, 화학적 특성을 검출하는 검출 유닛을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 위상 변조는 LCM일 수도 있다. 액정의 배향은, p-편광 요소와 s- 편광 요소 사이의 위상 지연이 LCM의 구동 전압을 변화시킴으로써 연속적으로 변조될 수 있도록, LCM의 구동 전압에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 소스 유닛은 고 신호 대 잡음 비(high signal-to-noise ratio)를 달성하도록 소스로부터 방출된 광의 p-편광 요소와 s- 편광 요소 사이의 강도 비를 설정하기 위한 편광기를 추가로 포함할 수도 있다.
본 발명의 또다른 태양에 따르면, 샘플의 생물학적, 생화학적, 화학적 특성을 검출하는 방법은 p-편광 요소 및 s-편광 요소를 포함하는 광 빔을 전송하는 단계와, p-편광 요소와 s-편광 요소들 사이의 위상 지연을 변조하는 단계와, 광의 제1 부분을 수신함으로써 위상 지연을 나타내는 기준 신호를 제공하는 단계와, 광의 제2 부분을 수신하여 샘플과 관련된 SPR로 인한 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화를 유도하는 단계와, 샘플과 관련된 SPR 후에 광을 수신함으로써 위상 지연 변화를 나타내는 프로브 신호를 제공하는 단계와, 프로브 신호를 기준 신호와 비교함으로써 샘플의 생물학적, 생화학적, 화학적 특성을 검출하는 단계를 포함한다.
전술된 바와 같이, 기준 유닛은 LCM에 의해 도입된 위상 지연에 대한 정보를 제공하기 위해 사용되는 한편, 프로브 유닛은 LCM에 의해 유도된 위상 지연 변화 이외에 SPR로 인한 위상 지연 변화의 정보를 제공한다. 프로브 유닛 및 기준 유닛으로부터 얻은 위상 값들 사이의 직접 감산은 SPR 위상 변화의 측정값을 가져온다. LCM은 위상 지연을 연속적으로 변조시키기 때문에, SPR 센서를 통과하는 빔이 SPR 차동 위상 신호로 변환될 수 있는 전후에 신호(예컨대, 화상)가 포획되도록 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 자기 간섭을 가능하게 하는 중요한 역할을 본 발명에서 수행한다. 따라서, SPR 센서로 인한 위상 지연 변화의 임의의 국부 변동이 검출될 수도 있도록 2차원 레벨에 대한 정확한 SPR 위상 측정을 수행하는 것이 가능하다. 우리는 고유의 잡음 내성(noise immunity)을 갖는 단일 빔 간섭계(즉, 개별 기준 빔이 필요 없음)를 갖는다. 광학 셋업은 매우 단순해진다.
본 발명의 기본적인 특징은 i) 모든 공통 모드 위상 잡음을 제거함으로써, 감지 정확도를 향상시키는 차동 위상 측정 기술, 즉 SPR 효과에 의해 유도되는 위상 변화에 단지 대응하는 측정을 사용하는 것과, ii) 광 빔을 활성적으로 변조시키도록 LCM을 통해 활성 위상 변조 기술을 사용하여 이에 의해 시스템 하드웨어 복잡성을 크게 감소시키는 것이다.
본 발명의 SPR 센서는 많은 이점들을 제공한다. 첫째, 감지 표면 근처에 굴절률 변화에 대한 높은 감도 측정을 제공한다. 둘째, 위상 측정의 안정성은 차동 위상 측정 기술을 사용함으로써 향상되어, 환경으로부터의 방해를 감소시킨다. 셋째, 본 발명은 실시간 SPR 위상 이미징 측정이 요구되는 상이한 적용들의 범위 내에서 사용될 수 있다. 넷째, 시스템 설계는 간단하고, 광학 부품 및 전자 부품 모두에 있어서 저렴하다. 다섯째, 본 발명은 상이한 유형의 SPR 커플링 방식에 사용하도록 용이하게 구성될 수도 있다. 여섯째, 그의 작은 치수 및 적은 전력 소비는 소형의 휴대용 시스템에 적절하게 된다.
도1은 본 발명에 따른 SPR 센서의 블록도이다.
도2는 도1에 도시된 광학 광 소스 및 기준 유닛의 개략도이다.
도3은 도1에 도시된 액정 변조기의 원리를 도시하는 개략도이다.
도4a는 도2에 도시된 액정 변조기의 액정 변조기의 실시예의 구조를 도시한다.
도4b는 도2에 도시된 액정 변조기의 액정 변조기의 또다른 실시예의 구조를 도시한다.
도4c는 도2에 도시된 액정 변조기의 액정 변조기의 또다른 실시예의 구조를 도시한다.
도5는 액정 변조기의 구동 전압과 위상 지연 변조 사이의 관계를 도시한다.
도6a 및 도6b는 단일 패스 및 다중 패스 증진 위상 지연 방법의 변조 효율을 도시한다.
도7은 본 발명에 따른 프리즘 커플링 방식을 도시한다.
도8은 본 발명에 따른 SPR 센서의 개략도이다.
도9는 프로브 유닛 및 기준 유닛으로부터의 통상 수집된 파형을 도시한다.
도10은 0중량%, 0.05중량%, 0.1중량%, 0.25중량%, 0.5중량%, 1중량%, 2중량%, 4중량%, 8중량% 및 16중량%인 다양한 농도의 글리세린 및 물 혼합물로부터 얻어지는 SPR 위상 측정을 도시한다.
도11은 한 시간 동안 측정되는 시스템 안정성을 도시한 그래프이다.
본 발명 및 그의 다양한 이점은 도면과 관련하여 예시적인 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
도1은 본 발명에 따른 위상 SPR 센서의 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 위상 SPR 센서는 p-편광 요소와 s- 편광 요소 사이의 변조된 위상 지연을 갖는, p-편광 요소 및 s-편광 요소를 포함하는 광 빔을 제공하는 광학 광 소스 유닛(100)과, 빔의 일 부분을 수신하여 변조된 위상 지연을 나타내는 기준 신호를 제공하는 기준 유닛(200)과, 빔의 타 부분을 수신하여 샘플과 관련된 SPR로 인한 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화를 유도하는 감지 유닛(300)과, SPR 감지 유닛을 통과하는 광을 수신하여 SPR 감지 유닛에 의해 유도된 위상 지연 변화를 나타내는 프로브 신호를 제공하는 프로브 유닛(400)과, 기준 유닛과 프로브 유닛에 연결되어 기준 신호를 프로브 신호와 비교함으로써 샘플의 특성을 검출하는 검출 유닛(500)을 포함한다.
도2에 도시된 바와 같이, 광학 광 소스 유닛(100)은 전자기 방사원(101), 편 광기(102), 위상 변조기(103) 및 빔 스플리터(104)를 포함한다.
전자기 방사원(101)은 가스 레이저, 고체 상태 레이저, 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED), 광대역 백색 광 소스 또는 임의의 다른 적절한 전자기 방사원을 포함할 수도 있다. 양호하게는, 12mW의 광학 출력 파워를 갖는 선형 편광 He-Ne 레이저가 일 실시예에서 사용된다. 방사원(101)은 s-편광 요소 및 p-편광 요소를 포함하는 광 빔을 방출하는데 요구되며, 출력 광 빔의 편광은 양호하게 p-편광에 대해 45도로 설정된다.
편광기(102)는 편광기(102)의 편광각을 변경함으로써 p-편광과 s-편광 사이의 강도 비를 선택하기 위해 제공된다. 편광기(102)의 편광각은 p-편광 및 s-편광 양자 모두에서 동등한 강도를 얻기 위해 p-편광 광축에 대해 45도로 설정된다.
위상 변조기(103)는 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 광학 위상 지연을 변조하기 위한 액정 변조기(LCM)이다. LCM(103)의 빠른 축은 변조 깊이를 증가시키기 위해 p-편광 또는 s-편광의 광축과 부합될 수도 있다. 변조 원리는 도3에 도시된 바와 같이 설명된다. LCM(103)은 편광기(102)를 통과하는 광(1300)을 수신한다. LCM(103) 내측의 광(1300)의 p-편광 요소(1301) 및 s-편광 요소(1302)의 전파 속도는 LCM(103) 내측의 액정 배향에 따라 좌우된다. 여기에서, 액정의 배향은 LCM(103)의 구동 전압에 의해 제어될 수 있다. 즉, p-편광 요소(1301) 및 s-편광 요소(1302)의 전파 속도는 구동 전압에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, LCM(103)의 초기에, p-편광 요소(1301)과 s-편광 요소(1302) 사이의 위상 지연은 Δ=0이다. LCM(103) 내의 p-편광 요소(1301) 및 s-편광 요소(1302)의 전파 중에, p-편광 요 소(1301)와 s-편광 요소(1302) 사이의 위상 지연은 Δ으로부터 Δ=1로 증가된다. 또한, LCM(103)을 통과한 후, 변조된 위상 지연(Δ2)은 p-편광 요소(1301') 및 s-편광 요소(1302')로 유도된다. 또한, 변조된 위상 지연(Δ2)은 보조를 맞추어(in steps) LCM(103)의 구동 전압을 변경함으로써 연속적으로 변할 수 있다. 실시예에 따르면, LCM(103)의 구동 전압은 0부터 13V까지의 범위에서 조정가능하며, LCM(103)의 주파수는 10㎐이도록 설정된다.
LCM(103)의 구동 전압과 위상 지연 변조 사이의 관계가 측정되고 도5에 도시된다. p-편광과 s-편광 사이의 위상 지연 대 입력 구동 전압의 관계는 선형 관계가 아니다는 것이 이해된다. 이러한 비선형 특징은 미리 결정된 데이터 변환 소프트웨어 프로그램을 통해 선형 함수로 다시 용이하게 전환될 수도 있다. 샘플로부터 관측되는 전형적인 SPR 위상 변화는 2π만큼 높을 수 있다. 따라서, 이 실시예는 0부터 2π까지의 범위 내의 위상 지연을 수행하는데 요구된다. π 및 3π의 위상 지연이 동일한 간섭 무늬 패턴을 생성할 수 있기 때문에, 이러한 애매성을 없애는 단 하나의 방법은 광으로 도입되는 위상 지연의 양을 연속적으로 주시하는 것이다. 또한, 위상 지연을 정밀하게 검출하기 위해, 위상 지연의 변조 깊이는 2π까지의 많은 사이클이어야 한다. 이는 미리 결정된 함수를 사용하여 변환되는 최종 신호 파형이 절두형 사인파일 것이고 절두형 사인파로부터 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)이 요구된 차동 위상 검출을 생성할 것이기 때문이다. 우리가 변조 깊이, 즉 절두형 사인파에 의해 포함되는 사이클의 개수를 증가시킨다면 검출 정밀성을 향상시킬 수 있다. 우리는 이하의 간단한 방식으로 이 문제점을 해결하 기 위해 몇몇 해결책을 제안하였다.
위상 지연의 충분한 변조 깊이를 달성하기 위해, LCM(103)은 이하와 같이 구성될 수 있다.
도4a에 도시된 바와 같이, LCM의 제1 실시예는 1개의 액정층(1031)을 포함한다. 이 실시예에서, 액정층(1031)의 두께(d)는 위상 지연의 충분한 변조 깊이를 달성하기에 충분히 크게 구성되어야 하며, 이에 의해 주파수 응답에서의 추가 감소 및 보다 큰 구동 전압을 요구한다.
도4b에 도시된 바와 같이, LCM의 제2 실시예는 다층식 LCM(1033)을 형성하기 위해 함께 적층되는 2개 이상의 액정층(1032)을 포함한다. 이 실시예는 보다 큰 구동 전압을 필요로 하지 않지만, 여러 개의 액정층들을 요구한다.
LCM의 제3 실시예의 구성은 도4c에 도시된 바와 같이 설명된다. 본 실시예의 LCM(1037)은 2개의 거울들(1034, 1035) 사이에 배치되는 액정층(1036)을 포함한다. 거울들(1034, 1035)의 위치는 거울들 사이의 반사로 인해 액정층(1036)을 수회 통과할 수 있도록 주의 깊게 구성되는데, 이에 의해 위상 지연을 향상시킬 수 있다. 본 실시예에 따르면, 변조 깊이는 광학 빔이 액정층(1036)을 통과하는 횟수에 따라 사실상 좌우된다.
단일 패스 방법 및 다중 패스 방법 양자 모두에 따른 측정된 신호 트레이스는 도6a 및 도6b에 각각 도시된다. 도면으로부터, 다중 패스 방법이 본 발명에 설명되는 높은 효율성과 단순한 구조를 갖는다는 것이 이해된다. 도6a 및 도6b에 도시된 삼각 파형은 LCM(1031, 1037)의 구동 전압에 각각 대응한다. 다중 패스 변조 의 경우, 빔 절첩 거울(1034, 1035)은 빔이 액정층(1036)을 수회 통과하게 할 것이기 때문에, 집합된 변조 깊이는 단일 패스의 경우보다 수배로 이에 따라 증가할 것이다. 도6b로부터 알 수 있는 바와 같이, 신호 트레이스는 LCM 구동 전압의 각각의 스위프(sweep) 사이클에서 많은 보다 큰 진동을 경험한다. 다중 패스 방법은 검출된 신호 트레이스가 스펙트럼 정보의 보다 높은 레벨을 포함하는 것을 보장할 것이며, 결과적으로 신호 트레이스로부터 더욱 정확한 위상 측정을 얻을 수 있다. LCM에 의해 제공된 지연 변조는 구동 전압에 선형적으로 비례하지 않는다는 것이 알려진다. 그 결과, 두 경우에서의 셋업으로부터 얻어지는 신호 트레이스는 순수 사인 파형과 약간 상이하다. 그러나, 이러한 비선형성은 차동 위상 측정이 관련된 2개의 신호 트레이스의 정상화를 우선 수행함으로써 수행될 때 최종 결과에 어떠한 악영향도 미치지 않는다. 그 후, 이는 수평 시간 축을 따라 정점 방향(point-wise) 신호 진폭 감법(substraction)을 수행함으로써 후속된다. 얻어진 신호 트레이스는 차동 위상에 비례하는 수직 진폭 축 상에 위치를 갖는 수평 직선 라인일 것이다. LCM에 의해 도입되는 비선형성은 자동적으로 제거될 것이다. 이 수평 라인을 따른 임의의 작은 변동은 위상 지터(jitter)로부터의 잡음을 나타낼 것이다. 최종 차동 위상 값은 이러한 수평 라인을 따라 모든 지점의 평균을 취함으로써 얻어진다. 우리가 모든 트레이스를 위해 동일한 절차를 사용한다는 사실은, 어떠한 상당한 오류도 최종 차동 위상 값에 도입되지 않을 것이라는 것을 보장할 것이다.
이제 도2를 참조하면, 블랭크 글래스 슬라이드(blank glass slide)일 수도 있는 빔 스플리터(104)는 광의 빔을 2개의 부분으로 분리하는데 사용된다. 일 부 분은 프로브 빔을 위한 것이고, 입력 강도의 단지 4%인 타 부분은 기준 빔을 위한 것이다. 기준 빔은 편광기(201) 및 포토디텍터(202)를 포함하는 기준 유닛(200)에 의해 얻어질 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 편광기(201)는 기준 빔을 픽업하기 위해 포토디텍터(202)의 전방에 위치된다. 편광기(201)는 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이에 간섭을 발생시키기 위해 p-편광의 광학 축에 대해 45도로 설정된다. 포토디텍터(202)는 간섭을 검출하고 간섭의 광학 강도 변동을 전기 신호로 전환하는데 사용된다. LCM(103)이 본 발명에 따른 임의의 포맷의 위상 지연 변조를 허용할 수 있기 때문에, 지연 위상이 보조를 맞추어 연속적으로 증가되는 동안 포토디텍터(202)를 사용하여 실시간으로 SPR 센서 표면을 모니터링함으로써 간단하게 풀-필드(full-field) SPR 위상 이미징을 수행하는 것이 가능하다. 본 실시예에 따르면, 포토디텍터(202)는 포토-다이오드 또는 포토 전하 결합 장치(photo charge coupled device)(CCD)일 수 있다. 요구된 기준 지연 위상을 제공하는 것을 제외하고, 포토디텍터(202)로부터의 출력은 또한 측정된 SPR 위상의 온도 보정을 제공하기 위해 이후에 사용될 수 있는 LCM(103)의 온도 특징에 대한 중요한 정보를 제공한다.
감지 유닛(300)은 샘플과 관련된 SPR로 인한 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화를 도입하기 위해 광의 빔의 약 96%인 또다른 부분을 수신하는데 사용된다. 프리즘 커플링, 도파관 커플링, 격자 커플링과 같은 임의의 SPR 커플링 방식은 본 발명에 적용될 수 있다는 것이 당해 기술 분야의 숙련자에게 이해된다. 본 실시예에서, 프리즘 커플링 방식(프리즘/금속층/샘플)이 양호하게 사용 되며, 그 구성이 도7 및 도8에 도시된다. 이 구성에서, 프리즘 커플링 방식은 프리즘(301)과, 감지 표면으로서 기능하도록 프리즘의 표면 상에 코팅되는 변환(transducing)층(302)과, 샘플(303)이 감지 표면을 통해 유동하게 하고 프리즘(2301)과 관련되는 샘플 유동 챔버(304)를 포함한다. 프리즘(301)은 SPW의 운동량(momentum)과 부합하도록 광의 운동량을 향상시키기 위해 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 유전 재료로 제조될 수 있다. 이 실시예에서, BK7 유리로 제조되는 도브 프리즘(dove prism)이 사용된다. 변환층(302)은 금 또는 은과 같은 전도성 재료로 통상적으로 제조된다. 이 실시예에서, 약 48㎚인 금 박층(gold thin layer)이 우수한 화학적 저항으로 인해 사용된다. 이러한 층의 두께는 적용물 및 재료 선택에 따라 20㎚ 내지 80㎚의 범위에 통상적으로 있다. 샘플(303)은 통상적으로 수용액 형태로 사용된다. 0%로부터 16%까지의 중량퍼센트의 농도의 글리세린 및 물 혼합물이 본 실시예에서 사용되었다. 샘플 유동 챔버(304)는 샘플(303)이 감지 표면에 접촉하면서 챔버(304) 내외로 유동하게 하도록 설계된다. 단지 p-편광 요소만이 SPR 효과에 의해 영향을 받고 s-편광 요소가 변하지 않고 유지되기 때문에, p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화는 샘플의 중량퍼센트의 농도에 따라 SPR에 의해 도입될 수 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 프로브 유닛(400)은 SPR 후에 광을 수신함으로써 위상 지연 변화를 나타내는 프로브 신호를 제공하는데 사용된다. 기준 유닛(200)과 유사하게, 프로브 유닛(400)은 편광기(401) 및 포토디텍터(402)를 포함한다. 편광기(401)는 p-편광 요소 및 s-편광 요소가 서로 간섭할 수 있도록 배향된다. 그 후, 포토디텍터(402)는 광학 강도 변동을 포획하는데 사용된다. 설계된 적용물에 따라, 포토디텍터(402)는 포토-다이오드 또는 포토 전하 결합 장치(CCD)일 수 있다. 이 실시예에서, 실리콘 포토-다이오드가 포토디텍터(402)로서 사용된다.
도8에 도시된 바와 같이, 기준 유닛(200)과 프로브 유닛(400) 사이에 연결되는 검출 유닛(500)은 위상계(501) 및 마이크로프로세서(502)를 포함한다. 마이크로프로세서(502)가 차동 위상에 따라 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성을 결정할 수 있도록, 위상계(501)는 기준 신호와 프로브 신호 사이의 차동 위상을 측정하는데 사용된다.
프로브 유닛 및 기준 유닛으로부터 수집되는 통상적인 신호 파형이 도9에 도시된다. 위상 추출 분석 프로그램에 의해 처리된 후에, 프로브 신호와 기준 신호 사이의 차동 위상 값은 신호 파형으로부터 얻어진다. 본 발명의 성능을 수행하기 위해, 대응하는 굴절률 유닛(RIU)이 1.3330으로부터 1.3521까지의 범위에 있는, 중량퍼센트가 0%로부터 16%까지인 글리세린 및 물 혼합물의 농도 측정이 수행되었다. 실험적인 차동 위상 변동 대 글리세린 농도가 도10에 도시된다. 이 구성에 따라,위상 응답은 가장 큰 감도 영역에서 1.7×10-6RIU/도(RIU/degree)인 것으로 인지되었고, 시스템 안정성은 또한 도11에 도시된 바와 같이 한 시간 내에 0.15도보다 작은 것으로 측정되었다. 이 안정성 값을 위상 해상도(resolution)로서 사용하여, 계산된 시스템 감도는 이에 따라 2.6×10-7RIU이었다.
본 발명에 따른 SPR 센서는 LCM을 사용하여 빔의 위상 지연을 변조하는 것을 통한 시간 범위에서 요구된 신호를 발생시켜서, 따라서 매우 감소된 시스템 하드웨어 복잡성을 가져온다. 더욱 중요하게는, 각도 측정의 제거는 SPR 센서 표면의 풀 필드 이미징을 허용하는데, 이는 2차원 센서 어레이를 위해 필수적이다. 더욱이, 신호 대 잡음 비는 신호 평균화를 통한 필요성에 따라 용이하게 향상될 수도 있다. 협대역 필터링과 같은 디지털 데이터 처리는 또한 측정 정밀도를 향상시키기 위해 본 발명에 적용될 수도 있다.
이전에 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 기본 구성은 본 발명의 공정 및 구성을 사용하는 다른 실시예들을 제공하도록 변경될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 범주는 일례들에 의해 이전에 나타낸 특정 실시예에 의해서보다는 첨부된 청구의 범위에 의해 한정된다는 것이 이해될 것이다.

Claims (25)

  1. 광학 감지 장치이며,
    p-편광 요소 및 s-편광 요소를 포함하는 광 빔을 방출하는 소스와, p-편광 요소와 s- 편광 요소 사이에서 위상 지연을 변조하는 위상 변조기를 포함하는 소스 유닛과,
    광의 제1 부분을 수신하도록 구성되고, 이에 의해 변조된 위상 지연을 나타내는 기준 신호를 제공하는 기준 유닛과,
    광의 제2 부분을 수신하도록 구성되고, 이에 의해 샘플과 관련된 SPR로 인한 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화를 유도하는 SPR 감지 유닛과,
    SPR 감지 유닛을 통과하는 광을 수신하도록 구성되고, 이에 의해 SPR 감지 유닛에 의해 유도된 위상 지연 변화를 나타내는 프로브 신호를 제공하는 프로브 유닛과,
    기준 유닛과 프로브 유닛 사이에 결합되어, 기준 신호를 프로브 신호와 비교함으로써 샘플의 생물학적, 생화학적, 화학적 특성을 검출하는 검출 유닛을 포함하는 광학 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 위상 변조기는 액정 변조기이며, 위상 지연은 액정 변조기에 의해 연속적으로 변조되는 광학 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 액정 변조기는 1개의 액정 층을 포함하는 광학 감지 장치.
  4. 제2항에 있어서, 액정 변조기는 함께 적층되는 2개 이상의 액정 층을 포함하는 광학 감지 장치.
  5. 제2항에 있어서, 액정 변조기는 2개의 거울과, 거울들 사이에 배치되는 액정 층을 포함하는 광학 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서, 소스 유닛의 소스는 가스 레이저, 고체 상태 레이저, 레이저 다이오드, 발광 다이오드 또는 광대역 백색 광 소스인 광학 감지 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 소스 유닛은,
    소스로부터 방출되는 광의 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 강도 비를 선택하기 위한 편광기와,
    변조된 광을 제1 부분 및 제2 부분으로 분리하기 위한 빔 스플리터를 더 포함하는 광학 감지 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 유닛은,
    광의 제1 부분의 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이에 간섭을 형성하기 위해 사용되는 편광기와,
    간섭을 검출하고, 간섭의 광학 강도 변동을, 위상 지연을 나타내는 기준 신호로 전환하는 포토디텍터를 포함하는 광학 감지 장치.
  9. 제8항에 있어서, 포토디텍터는 포토-다이오드 또는 포토 전하 결합 장치인 광학 감지 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 감지 유닛은,
    프리즘과,
    감지 표면으로서 기능하도록 프리즘의 표면 상에 코팅되는 변환 층과,
    샘플이 감지 표면을 통해 유동하게 하고 프리즘과 관련되는 샘플 유동 챔버를 포함하는 광학 감지 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 프로브 유닛은,
    광의 제2 부분의 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이에 간섭을 형성하는데 사용되는 편광기와,
    간섭을 검출하고, 간섭의 광학 강도 변동을, SPR 감지 유닛에 의해 유도되는 위상 지연 변화를 나타내는 프로브 신호로 전환하는 포토디텍터를 포함하는 광학 감지 장치.
  12. 제11항에 있어서, 포토디텍터는 포토-다이오드 또는 포토 전하 결합 장치인 광학 감지 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 검출 유닛은,
    기준 신호와 프로브 신호 사이의 차동 위상을 측정하기 위한 위상계와,
    차동 위상에 따라 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성을 결정하기 위한 마이크로프로세서를 포함하는 광학 감지 장치.
  14. 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성을 검출하는 방법이며,
    p-편광 요소 및 s-편광 요소를 포함하는 광 빔을 전송하는 단계와,
    p-편광 요소와 s-편광 요소들 사이의 위상 지연을 변조하는 단계와,
    광의 제1 부분을 수신함으로써 위상 지연을 나타내는 기준 신호를 제공하는 단계와,
    광의 제2 부분을 수신하여 샘플과 관련된 SPR로 인한 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연 변화를 유도하는 단계와,
    샘플과 관련된 SPR 후에 광을 수신함으로써 위상 지연 변화를 나타내는 프로브 신호를 제공하는 단계와,
    프로브 신호를 기준 신호와 비교함으로써 샘플의 생물학적, 생화학적, 화학적 특성을 검출하는 단계를 포함하는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  15. 제14항에 있어서, 위상 지연은 액정 변조기의 구동 전압을 변화시킴으로써 액정 변조기에 의해 연속적으로 변조되는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  16. 제15항에 있어서, 액정 변조기의 구동 전압은 0v로부터 13v까지 변하고, 액정 변조기의 주파수는 10㎐이도록 설정되는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  17. 제15항에 있어서, 액정 변조기는 1개의 액정 층을 포함하고, 액정 층의 두께는 액정 변조기의 변조 깊이가 2π보다 크도록 설계되는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  18. 제15항에 있어서, 액정 변조기는 함께 적층되는 2개 이상의 액정 층을 포함하여 다층식 변조기를 형성하고, 액정 층의 개수 및 액정 층 각각의 두께는 액정 변조기의 변조 깊이가 2π보다 크도록 설계되는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  19. 제15항에 있어서, 액정 변조기는 2개의 거울과, 거울들 사이에 배치되는 액정 층을 포함하며, 액정 층의 두께와 거울들 및 액정 층의 위치는 액정 변조기의 변조 깊이가 2π보다 크도록 설계되는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특 성 검출 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 빔을 전송하는 단계는, p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 강도 비를 선택하는 단계를 더 포함하는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기준 신호를 제공하는 단계는,
    편광기에 의해 광의 제1 부분의 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이에 간섭을 생성하는 단계와,
    간섭의 광학 강도 변동을 기준 신호로 전환하는 단계를 포함하는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  22. 제21항에 있어서, 기준 신호는 온도 변동의 효과를 모니터링하는데 사용되는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광의 제2 부분을 수신하여 위상 지연 변화를 유도하는 단계는,
    샘플을 SPR 센서의 챔버를 통해 유동시키는 단계와,
    광의 제2 부분의 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이의 위상 지연이 SPR 센서에 서 SPR로 인해 변경되도록, 광의 제2 부분이 SPR 센서를 통과하게 되는 단계를 포함하는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 신호를 제공하는 단계는,
    편광기에 의한 SPR 후에 광의 p-편광 요소와 s-편광 요소 사이에 간섭을 생성하는 단계와,
    간섭의 광학 강도 변동을 프로브 신호로 전환하는 단계를 포함하는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플의 생물학적, 생화학적, 화학적 특성을 검출하는 단계는,
    기준 신호와 프로브 신호 사이의 차동 위상을 측정하는 단계와,
    차동 위상에 따라 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성을 결정하는 단계를 포함하는 샘플의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 특성 검출 방법.
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